美國物理學(xué)會Physical Review Letters（PRL）期刊2018年10月5日在線發(fā)表了北京大學(xué)物理學(xué)院寬禁帶半導(dǎo)體研究中心和“新型半導(dǎo)體低維量子結(jié)構(gòu)與器件”創(chuàng)新群體的最新研究成果“Unambiguous Identification of Carbon Location on the N Site in Semi-insulating GaN”。
III族氮化物（又稱GaN基）寬禁帶半導(dǎo)體具有一系列優(yōu)異的物理、化學(xué)性質(zhì)，是發(fā)展半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、新一代通用電源、新能源汽車、固態(tài)紫外光源等不可替代的新型半導(dǎo)體材料。摻雜調(diào)控是氮化物半導(dǎo)體材料和器件發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題。通過C摻雜獲得半絕緣GaN是當前研制GaN基電子器件的主流方法。但作為IV族元素，C雜質(zhì)在GaN中具有兩性特征，既可替代N原子，也可替代Ga原子，或者與其他雜質(zhì)和缺陷形成復(fù)合體，使GaN中C的摻雜機理非常復(fù)雜，成為近年來氮化物半導(dǎo)體電子材料和器件領(lǐng)域關(guān)注的焦點問題之一，確定C雜質(zhì)在GaN中的晶格位置對于解決上述問題至關(guān)重要。
由沈波教授領(lǐng)導(dǎo)的北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究團隊與其合作者近期在這一問題上取得了重要進展。該團隊與中科院蘇州納米所和中國科技大學(xué)等合作單位采用紅外光譜和拉曼光譜技術(shù)，克服了GaN中強烈的剩余射線帶相關(guān)反射區(qū)導(dǎo)致的測量難題，實驗中觀察到半絕緣GaN中與C有關(guān)的兩個局域振動模，并結(jié)合第一性原理計算，給出了C雜質(zhì)在GaN中替代N位的直接證據(jù)，解決了這一長期存在的爭議問題。該成果對于理解和認識C雜質(zhì)在AlN、BN、ZnO等其他六方對稱化合物半導(dǎo)體材料中的摻雜行為亦具有重要的參考價值。
不同偏振下的拉曼光譜
北京大學(xué)博士生吳珊為該論文的第一作者，楊學(xué)林、沈波為該論文的共同通訊作者。合作者包括中科院蘇州納米所的石林老師、徐科老師，北大工學(xué)院的張青老師，中國科技大學(xué)的戚澤明老師，以及北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心的數(shù)位老師和同學(xué)。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、2011協(xié)同創(chuàng)新中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室等項目的資助。
氮化物半導(dǎo)體材料總體發(fā)展現(xiàn)況
在氮化物半導(dǎo)體的應(yīng)用上，目前最為廣泛的仍為GaN材料系統(tǒng)，可以說氮化物半導(dǎo)體的成功很大程度是奠基于LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，特別是在2014年諾貝爾物理獎頒給了中村修二(Shuji Nakamura)、赤崎勇(Akasaki Isamu)、天野浩(Hiroshi Amano)等三位日本科學(xué)家后，更加肯定了氮化物半導(dǎo)體對于產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)的貢獻。然而除了LED之外，其他包括雷射二極體(Laser Diode)、功率元件(Power Electronics)、射頻元件(RF Electronics)等之未來發(fā)展性均相當看好。Nitride近年的應(yīng)用市場也逐漸由光學(xué)元件(Optical Devices)擴散到電子元件(Electrical Devices)，整個氮化物半導(dǎo)體的應(yīng)用前景亦更加廣泛。
另外一個受到重視的材料系統(tǒng)則為AlN，由于該材料具有更寬的能隙(＞6eV)，因此目前最看好的應(yīng)用包括更高電壓的功率元件以及(深)紫外光發(fā)光二極體(Deep Ultra-violet LED)與雷射二極體。即使目前功率元件碳化矽的價格已經(jīng)大幅降低，市場仍尚未大量導(dǎo)入，可想而知，AlN的機會可能更加遙遠。然而，因為AlN的能隙更大，因此相對容易制作成Semi-insulating晶片，加上與GaN的晶格系數(shù)差異小，能在GaN/AlN的結(jié)構(gòu)上找到RF的應(yīng)用機會。InN以長波長的紅外光應(yīng)用為主，但是因為能隙小，其材料特殊性低，且與Ge與SiGe的應(yīng)用多有重疊，目前仍以InGaN磊晶作為光學(xué)元件的波長調(diào)整用磊晶制作為主，基板機會小。BN的晶體技術(shù)則相對不成熟，但有不少研究持續(xù)進行中，氮化物半導(dǎo)體與其他半導(dǎo)體材料之晶格常數(shù)與能隙比較如圖一所示。
在元件的制作上，GaN仍為主要的基板材料，AlGaN則為主要的磊晶層結(jié)構(gòu)，Al的摻雜使光學(xué)元件波長縮短，InGaN中In的摻雜則使光學(xué)元件波長增長，磊晶技術(shù)大多著墨于組成與結(jié)構(gòu)對應(yīng)晶格結(jié)構(gòu)不匹配性(Lattice Mismatch)以及光學(xué)與電特性的調(diào)配。整體而言，就基板技術(shù)的成熟度與市場應(yīng)用潛力而言，GaN與AlN較具潛力，尤以GaN的機會最為看好。
氮化物半導(dǎo)體與其他半導(dǎo)體材料之晶格常數(shù)與能隙